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Proton
Der Atomkern des gewöhnlichen Wasserstoffs ist ein einzelnes Proton. Daher wird das Proton auch als Wasserstoffkern oder Wasserstoffion bezeichnet. Diese …
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Grundlagen und Kennwerte
Das Proton (Formelzeichen p oder p⁺) ist ein stabiles subatomares Teilchen mit der elektrischen Ladung +1 e. Es gehört zu den Hadronen, also Teilchen aus Quarks, und innerhalb dieser Gruppe zu den Baryonen, die aus drei Valenzquarks bestehen. Wegen seines halbzahligen Spins ist es ein Fermion. Protonen und Neutronen werden gemeinsam als Nukleonen bezeichnet.
Jedes Atom enthält mindestens ein Proton im Kern. Der Kern des gewöhnlichen Wasserstoffatoms ¹H besteht aus genau einem Proton. Die Bezeichnungen „Wasserstoffkern“ und „Wasserstoffion“ für das Proton sind jedoch nicht eindeutig, weil andere Wasserstoffisotope zusätzlich ein oder zwei Neutronen enthalten.
Wichtige Kennwerte sind: • Masse: 1,007276466621(53) u beziehungsweise 1,67262192595(52)·10⁻²⁷ kg oder 1836,152673426(32) Elektronenmassen • Ruheenergie: 938,27208816(29) MeV • Ladungsradius: 0,8409(4) fm • Compton-Wellenlänge: 1,32140985360(41)·10⁻¹⁵ m • Spin und Parität: ½⁺ • Isospin: ½ mit I_z = +½ • Wechselwirkungen: starke, schwache und elektromagnetische Wechselwirkung sowie Gravitation
Innerer Aufbau, Spin und Ausdehnung
Das Proton besitzt drei Valenzquarks: zwei Up-Quarks und ein Down-Quark, kurz uud. Diese Valenzquarks liefern nur etwa 1 Prozent seiner Masse. Der größte Teil entsteht durch Gluonen, die die starke Wechselwirkung zwischen den Quarks vermitteln, und durch virtuelle Quark-Antiquark-Paare, sogenannte Seequarks. Der Durchmesser eines freien Protons beträgt ungefähr 1,7·10⁻¹⁵ m.
Der Protonenspin beträgt ½. Untersuchungen der European Muon Collaboration am CERN in den späten 1980er Jahren und das HERMES-Experiment am DESY von 1995 bis 2007 zeigten, dass weniger als die Hälfte dieses Spins von den Valenzquarks stammt. Offenbar tragen Gluonen den größeren Anteil.
Die positive Parität des Protons ist eine Konvention; dem Antiproton wird entsprechend negative Parität zugeordnet. Physikalisch bedeutsam ist nur die relative Parität gegenüber anderen Baryonen, da Protonen als Proton-Antiproton-Paare entstehen oder durch Umwandlung anderer Baryonen.
Die Ladungsverteilung wird durch elastische Elektronenstreuung untersucht. Aus dem Formfaktor, einer Messgröße für die räumliche Verteilung der Ladung, folgt näherungsweise die exponentiell abfallende Ladungsdichte ρ(r) = ρ(0)·e^(−ar) mit a = 4,27 fm⁻¹. Das Proton ist daher kein scharf begrenztes, sondern ein diffuses Gebilde.
Messungen der Lamb-Verschiebung in myonischem Wasserstoff ergaben 2010 einen um 4 Prozent kleineren Ladungsradius als ältere Elektronenstreuversuche; die Abweichung betrug vier Standardabweichungen. 2016 wurde sie an myonischem Deuterium bestätigt, 2017 zeigte auch gewöhnlicher Wasserstoff eine Abweichung von 3,3 Standardabweichungen beim Protonenradius und bei der Rydbergkonstanten. Spätere Präzisionsmessungen fanden jedoch keine signifikante Diskrepanz mehr. Die Particle Data Group bewertete das Rätsel 2022 als offenbar gelöst.
Stabilität und magnetisches Moment
Das Proton ist das einzige stabile Hadron und zugleich das leichteste Baryon. Ein Zerfall kann nur leichtere Teilchen hervorbringen; wegen der Erhaltung der Baryonenzahl ist das Proton nach dem Standardmodell stabil. Experimente am Kamiokande zeigen, dass eine mögliche Halbwertszeit nicht unter 10³² Jahren liegen kann. Die Suche nach einem Protonenzerfall bleibt wichtig, weil dessen Nachweis auf Physik jenseits des Standardmodells hinweisen würde.
Das magnetische Moment des Protons beträgt 1,41060679545(60)·10⁻²⁶ J/T beziehungsweise 2,79284734463(82) Kernmagnetonen μ_N. Der g-Faktor ist 5,5856946893(16), das gyromagnetische Verhältnis 2,6752218708(11)·10⁸ (rad/s)/T. Für ein elementares Spin-½-Teilchen würde die Dirac-Gleichung nur μ_N = eℏ/(2m_p) erwarten. Bereits 1933 wurde aber festgestellt, dass der tatsächliche Wert etwa um den Faktor 2,79 größer ist. Diese Abweichung wurde später durch den Quarkaufbau verständlich.
Im vereinfachten Konstituentenquarkmodell gilt μ_p = (4/3)μ_u − (1/3)μ_d. Dabei sind μ_u und μ_d die magnetischen Momente der Up- und Down-Konstituentenquarks. Das daraus berechnete Ergebnis stimmt annähernd mit den Messwerten überein.
Neutronen, Antiprotonen und Atomkerne
Proton und Neutron reagieren auf die starke Wechselwirkung gleich. Ihre Unterschiede beruhen auf der elektrischen Ladung und den verschiedenen Massen ihrer Valenzquarks. Deshalb lassen sie sich als zwei Zustände eines Teilchens, eines Isospindupletts, auffassen.
Beim β⁻-Zerfall eines freien Neutrons entsteht ein Proton: n → p + e⁻ + ν̄_e + 0,78 MeV. Unter den extremen Bedingungen bei der Bildung eines Neutronensterns ist die umgekehrte, endotherme Reaktion möglich: p + e⁻ → n + ν_e − 0,78 MeV. In Atomkernen treten entsprechende Vorgänge als β⁻-Zerfall beziehungsweise Elektroneneinfang auf; wegen weiterer Nukleonen und Elektronen ist dort die Energiebilanz verändert.
Das Antiproton ist das Antiteilchen des Protons. Es besitzt dieselbe Masse, aber negative elektrische Ladung. Emilio Segrè und Owen Chamberlain erzeugten es 1955 erstmals künstlich und erhielten dafür 1959 den Nobelpreis für Physik.
Fast alle Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen. Die Ausnahme ist ¹H mit nur einem Proton. Die Protonenzahl heißt Ordnungszahl; sie bestimmt die Elektronenzahl eines neutralen Atoms und damit die chemischen Eigenschaften des Elements. Atome mit gleicher Protonenzahl, aber verschiedener Neutronenzahl heißen Isotope und besitzen nahezu gleiche chemische Eigenschaften.
Die starke Wechselwirkung bindet die Nukleonen im Kern. Zwischen Protonen wirkt zugleich die abstoßende elektromagnetische Kraft; Neutronen erfahren keine elektrostatische Kraft. Ein hypothetischer Kern ²He aus zwei Protonen, das Diproton, ist nicht teilchenstabil: Wegen des Pauli-Prinzips können die Protonen nur einen Singulett-Zustand mit antiparallelen Spins bilden, der aufgrund der Spinabhängigkeit der Nukleon-Nukleon-Wechselwirkung nicht gebunden ist. Mit einem zusätzlichen Neutron entsteht dagegen stabiles ³He.
Hochenergetische Photonen können beim Kernphotoeffekt Protonen aus einem Kern lösen. Auch schnelle Protonen, Neutronen oder Alphateilchen können dies in Kernreaktionen bewirken. Kerne mit starkem Neutronenüberschuss oder -mangel können spontan Neutronen beziehungsweise Protonen abgeben; diese Vorgänge haben stets sehr kurze Halbwertszeiten. Bei extremem Protonenüberschuss, etwa in ⁴⁵Fe, können zwei Protonen gleichzeitig emittiert werden.
Streuung, Sterne und Anwendungen
Streuexperimente untersuchen die Wechselwirkungen und die innere Struktur von Protonen. Bei Proton-Neutron-Streuung dominiert die starke Wechselwirkung; elektromagnetische und besonders schwache Effekte sind vernachlässigbar. Bei Proton-Proton-Streuung muss zusätzlich die elektrische Coulomb-Abstoßung berücksichtigt werden. Nach Abzug ihres Beitrags zeigt der Vergleich mit Neutron-Neutron-Streuung, dass die Kernkräfte unabhängig vom Ladungszustand der Nukleonen sind. Sie hängen außerdem vom Spin ab.
Elastische und quasielastische Elektronenstreuung liefert den Formfaktor des Protons. Mit einem polarisierten Elektronenstrahl von 1,16 GeV wurde auch seine schwache Ladung präzise gemessen. Dabei nutzte man, dass die Parität nur bei der schwachen Wechselwirkung nicht erhalten bleibt.
In Sternen beruht das Wasserstoffbrennen auf Proton-Proton-Reaktionen und weiteren Fusionsreaktionen mit Protonen. Beim astrophysikalischen p-Prozess kann ein schnelles Proton die Coulomb-Abstoßung eines Kerns überwinden und von diesem aufgenommen werden. In terrestrischen Gammablitzen könnten Protonen Energien bis 30 MeV erreichen; Protonenstrahlen lassen sich jedoch auf einer deutlich längeren Zeitskala messen als die Gammablitze selbst.
In der Protonentherapie werden beschleunigte Protonen zur Behandlung von Tumoren eingesetzt. Sie geben den größten Teil ihrer Energie erst in einem eng begrenzten Tiefenbereich, dem Bragg-Peak, ab. Dadurch wird das Gewebe vor dem Ziel gegenüber konventioneller Röntgenbestrahlung um den Faktor 3 bis 4 weniger belastet; hinter dem Ziel ist die Belastung ebenfalls relativ gering. Protonen aus Zyklotronen mit etwa 10 bis 50 MeV dienen außerdem zur Herstellung protonenreicher medizinischer Radionuklide und zur oberflächlichen Aktivierung von Maschinenteilen für spätere Verschleißmessungen.
Wichtige Entdeckungen
William Prout vermutete 1815, alle Atome seien aus Wasserstoffatomen aufgebaut. 1898 erkannte Wilhelm Wien, dass mit Wasserstoff gefüllte Geißlerröhren Kanalstrahlen mit dem größten Verhältnis von Ladung zu Masse liefern; diese Strahlen bestehen aus Protonen. Im Bohrschen Atommodell von 1913 umkreist ein Elektron einen positiv geladenen Kern, der beim Wasserstoff ein Proton ist.
Ernest Rutherford führte 1919 die erste künstliche Kernumwandlung durch: ¹⁴N + α → ¹⁷O + p. Beim Beschuss von Stickstoffkernen mit Alphateilchen beobachtete er die Abgabe von Wasserstoffkernen und schlug für sie den Namen Proton vor.
David Dennison zeigte 1927 aus der Temperaturabhängigkeit der spezifischen Wärme von Wasserstoff, dass Protonen den Spin ½ besitzen. Bei Raumtemperatur liegen ¾ der Moleküle als Orthowasserstoff mit parallelen Protonenspins und ¼ als Parawasserstoff mit antiparallelen Spins vor; dieses Verhältnis passt nur zu Spin ½. 1954 wies eine Gruppe um Robert Hofstadter an der Stanford University durch Streuung hochenergetischer Elektronen nach, dass das Proton eine räumliche Ausdehnung besitzt.
